JP7169445B2 - 高電圧用セラミック発熱体 - Google Patents
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Description
本発明は、発熱体に関し、特に、多層構造を有する高電圧用セラミック発熱体に関する。
先行技術において、セラミックは、たとえば、自動車のエンジンの点火やガスの着火などの点火用の発熱体に使用できるとされている。セラミック発熱体は、使用に際して信頼性および安定性が高く、耐用寿命が長いという利点を持つ。
既存のセラミック発熱体は、その耐電圧性に応じて、高電圧用セラミック発熱体と低電圧用セラミック発熱体に分類される。一般に、たとえば１２０Ｖや２２０Ｖといった１００Ｖを超える電圧に耐えることが可能なセラミック発熱体を高電圧用セラミック発熱体と呼び、１００Ｖ未満の電圧に耐えることが可能なセラミック発熱体を低電圧用セラミック発熱体と呼ぶ。
低電圧用セラミック発熱体に必要とされる抵抗は比較的小さく、その発熱温度は、高電圧用セラミック発熱体よりも低い。たとえば、中国特許第200620033322.7号に記載されている６層のセラミック発熱体や、中国特許第200410040517.X号に記載されている３層、４層、５層または６層のセラミック発熱体は、低電圧用セラミック発熱体である。低電圧用セラミック発熱体の抵抗は小さいことから、温度範囲を容易に制御することができる。
一方、高電圧用セラミック発熱体では、より高い発熱温度が必要とされ、したがって、より大きな抵抗が必要となる。抵抗をより大きくするには、体積をより大きくして抵抗体を製造する必要があるが、体積の大きい抵抗層は広い温度範囲を有することから、発熱領域の制御が難しくなる。たとえば、中国特許第200420060870.X号では、下部に溝を有する４層のセラミック発熱体が開示されており、このようなセラミック発熱体は高電圧用セラミック発熱体である。
しかし、既存の高電圧用セラミック発熱体を実際に使用する際、使用者の使い方によっては、使用頻度が増すにつれて温度範囲が不安定に高温側または低温側にずれるため、一定期間使用した後は着火信頼性を効果的に確保することはできない。さらに、既存の高電圧用セラミック発熱体は、連続通電状態で１００時間以下という短い耐用寿命しかなく、燃焼室では５０００回以下の耐用寿命しかなく、表面品質に劣り、緩い構造を有し、２０ｋｇ以下という低い強度しかない。
本発明は、使用に際して着火信頼性が低く、耐用寿命が短いという、既存の高電圧用セラミック発熱体が抱える技術的課題を解決することができる高電圧用セラミック発熱体を提供することを目的とする。
前述の目的を達成するため、本発明は、高電圧用セラミック発熱体であって、後部が開放された中空の本体と、前記本体上に軸方向に沿って設けられ、左右に貫通する溝と、前記本体の外側抵抗層上に設けられた温度制御領域とを含み、前記温度制御領域の断面積が、前記本体の断面積よりも小さいことを特徴とする高電圧用セラミック発熱体により実施される。本明細書の記載に従って構成された高電圧用セラミック発熱体は、温度制御領域の断面積が小さくなっていることから、温度制御領域の温度範囲を確実に制御することができ、すなわち、温度制御領域において加熱および点火を確実に行うことができる。このようにして温度範囲を制御することによって、高温側または低温側への温度範囲のずれを防ぐことができ、点火の信頼性を確保することができる。さらに、このようにして温度制御領域の温度範囲を制御することによって、高温側または低温側への温度範囲のずれに対して脆弱な部分への損傷を防ぐことができ、これによって、セラミック発熱体の耐用寿命を向上させることができる。
本発明の高電圧用セラミック発熱体の耐用寿命をさらに向上させるため、前記温度制御領域は前記本体の頭部に設けられる。
本発明の高電圧用セラミック発熱体の着火信頼性および耐用寿命をさらに向上させるため、前記温度制御領域の断面積は、前記本体の断面積よりも少なくとも１０％小さくする。
構造信頼性をさらに向上させるため、前記本体を円筒状とし、前記温度制御領域に、前記本体の１つ以上の側面よりも径方向内方に位置する部分を設ける。
構造信頼性をさらに向上させるため、前記温度制御領域を扁平な形状とし、互いに対向する２つの側面が径方向内方に位置するように構成する。このような構成とすることによって、処理を単純化することができ、コストを削減することができる。
耐用寿命および構造強度をさらに向上させるため、本発明のセラミック発熱体は、鋳込成形により成形し、前記本体の頭部の先端に鋳込成形用貫通孔を設ける。
本発明のセラミック発熱体は、前記本体の内側から外側へ順に、内側絶縁強化層、内側絶縁層、外側抵抗層および導電層の４つの層を有することが好ましい。前記内側絶縁強化層、前記内側絶縁層および前記外側抵抗層により前記本体の全体が覆われており、前記導電層により前記外側抵抗層の後部が覆われており、前記導電層の後部端に、正電極および負電極が位置する。
耐用寿命および強度をさらに向上させるため、前記内側絶縁層および前記内側絶縁強化層のセラミック材料は、窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝（２００～８００重量部）：（２０～９０重量部）：（２０～９０重量部）：（１０～８０重量部）：（１０～８００重量部）の比率で作製される。
また、耐用寿命および強度をさらに向上させるため、前記外側導電層のセラミック材料は、窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝（２００～８００重量部）：（２０～９０重量部）：（２０～９０重量部）：（１０～８０重量部）：（７００～３０００重量部）の比率で作製される。
さらに、耐用寿命および強度をさらに向上させるため、前記外側抵抗層は、窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝（２００～８００重量部）：（２０～９０重量部）：（２０～９０重量部）：（１０～８０重量部）：（６００～９００重量部）の比率で作製される。
１．本発明の高電圧用セラミック発熱体を使用することによって、使用中に温度制御領域の発熱領域を効果的に制御することができることから、高温側または低温側への温度範囲のずれを防ぐことができ、かつ点火の信頼性を効果的に確保することでき、これによって、１００％の点火成功率を達成することができる。
２．鋳込成形法により成形を行う際、セラミック発熱体の後部が最も遠い位置になるため、セラミック発熱体の頭部の方が後部よりも品質が良好となり、温度範囲が高温側または低温側にずれた場合に、この頭部で温度範囲を制御することより、後部への損傷を防ぐことができ、これによって、高電圧用セラミック発熱体の耐用寿命を向上させることができる。さらに、本発明において各層の新規処方を組み合わせることによって、セラミック発熱体の耐用寿命をさらに向上させることができる。試験の結果によれば、本発明の高電圧用セラミック発熱体は、連続通電状態での耐用寿命が２４０時間以上であり、燃焼室での耐用寿命が３００００回以上である。
３．本発明の高電圧用セラミック発熱体は、表面が平滑で、緻密な構造であり、５０ｋｇ以上の強度を有する。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の特定の実施形態をさらに詳細に説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施形態には限定されず、これらの実施形態の基本的な要旨の範囲内のあらゆる改良や置換は、本発明の請求項の保護範囲に属するものとする。
実施形態１：
図１～４に示すように、高電圧用セラミック発熱体は、後部が開放された中空の本体と、この本体上に軸方向に沿って設けられ、左右に貫通する溝と、本体の外側抵抗層上に設けられた温度制御領域とを含み、この温度制御領域の断面積は、本体の断面積よりも小さくなっている。
図１～４に示すように、高電圧用セラミック発熱体は、後部が開放された中空の本体と、この本体上に軸方向に沿って設けられ、左右に貫通する溝と、本体の外側抵抗層上に設けられた温度制御領域とを含み、この温度制御領域の断面積は、本体の断面積よりも小さくなっている。
温度制御領域は、本体の外側抵抗層のどの位置にでも設けることができ、たとえば、本体の中間部、頭部または後部に設けることができる。しかし、本実施形態において、処理条件を考慮すれば、本体の頭部に温度制御領域を設けることが好ましい。温度制御領域の軸方向長さおよび断面積は、実際の状況に応じて設定することができる。
本実施形態において、温度制御領域の断面積は、本体の断面積よりも少なくとも１０％小さくなっている。温度制御領域の断面積は、本体の断面積よりも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％等小さくなるように設定することができる。
本実施形態の高電圧用セラミック発熱体は、２層、３層、４層、５層、６層などを有するものであってもよい。
さらに、本実施形態のセラミック発熱体は、鋳込成形法により製造される。鋳込成形用貫通孔が本体の頭部に設けられ、この鋳込成形用貫通孔を通して後部へと鋳込まれる。鋳込成形法は外側から内側へと実施し、内部は中空のまま成形する。鋳込成形の過程において、工具を用いて溝の位置を残しておく。
本実施形態の高電圧用セラミック発熱体を使用することによって、点火の信頼性を効果的に確保することができ、１００％の点火成功率を達成することができる。連続通電状態での耐用寿命は２４０時間に達してもよく、燃焼室での耐用寿命は３００００回に達してもよい。本実施形態の高電圧用セラミック発熱体は、表面が平滑で、緻密な構造であり、５０ｋｇの強度を有する。
実施形態２：
図１～４に示すように、高電圧用セラミック発熱体は、後部が開放された中空の本体と、この本体上に軸方向に沿って設けられ、左右に貫通する溝と、本体の外側抵抗層上に設けられた温度制御領域とを含み、この温度制御領域の断面積は、本体の断面積よりも小さくなっている。
図１～４に示すように、高電圧用セラミック発熱体は、後部が開放された中空の本体と、この本体上に軸方向に沿って設けられ、左右に貫通する溝と、本体の外側抵抗層上に設けられた温度制御領域とを含み、この温度制御領域の断面積は、本体の断面積よりも小さくなっている。
温度制御領域は、本体の外側抵抗層のどの位置にでも設けることができ、たとえば、本体の中間部、頭部または後部に設けることができる。しかし、本実施形態において、処理条件を考慮すると、本体の頭部に温度制御領域を設けることが好ましい。温度制御領域の軸方向長さおよび断面積は、実際の状況に応じて設定することができる。
本実施形態において、温度制御領域の断面積は、本体の断面積よりも少なくとも１０％小さくなっている。温度制御領域の断面積は、本体の断面積よりも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％等小さくなるように設定することができる。
本実施形態の高電圧用セラミック発熱体は、２層、３層、４層、５層、６層などを有するものであってもよい。
さらに、本実施形態のセラミック発熱体は、鋳込成形法により製造される。鋳込成形用貫通孔が、本体の頭部すなわち温度制御領域の先端に設けられ、この鋳込成形用貫通孔を通して後部へと鋳込まれる。鋳込成形法は外側から内側へと実施し、内部は中空のまま成形する。鋳込成形の過程において、工具を用いて溝の位置を残しておく。
本実施形態において、本体は円筒状である。温度制御領域と本体は、鋳込成形により一体成形される。したがって、温度制御領域の断面積が本体の断面積よりも小さくなるように、温度制御領域は様々な形状に構成することができ、すなわち、温度制御領域の断面は様々な形状を有するように構成することができる。たとえば、温度制御領域は、本体よりも直径が小さいが本体と同心の円筒状とすることができ、温度制御領域の断面を、三角形、四角形またはその他の不規則な形状とすることもできる。
しかし、本実施形態において、温度制御領域は、扁平な形状であり、互いに対向する２つの側面が径方向内方に位置している。
本実施形態の高電圧用セラミック発熱体を使用することによって、点火の信頼性を効果的に確保することができ、１００％の点火成功率を達成することができる。連続通電状態での耐用寿命は２６０時間に達してもよく、燃焼室での耐用寿命は３２０００回に達してもよい。本実施形態の高電圧用セラミック発熱体は、表面が平滑で、緻密な構造であり、５５ｋｇの強度を有する。
実施形態３：
図１～４に示すように、本実施形態は、本体９を含む４層の高電圧用セラミック発熱体を提供する。この本体は、内側から外側へ順に、内側絶縁強化層４、内側絶縁層３、外側抵抗層２および導電層１を有する。内側絶縁強化層、内側絶縁層および外側抵抗層により本体の全体が覆われており、導電層により外側抵抗層の後部が覆われており、導電層の後部端には正電極および負電極の位置５が設けられている。
図１～４に示すように、本実施形態は、本体９を含む４層の高電圧用セラミック発熱体を提供する。この本体は、内側から外側へ順に、内側絶縁強化層４、内側絶縁層３、外側抵抗層２および導電層１を有する。内側絶縁強化層、内側絶縁層および外側抵抗層により本体の全体が覆われており、導電層により外側抵抗層の後部が覆われており、導電層の後部端には正電極および負電極の位置５が設けられている。
本実施形態のセラミック発熱体の頭部は、左側の側面と右側の側面が径方向内方に位置した扁平な形状をしており、この扁平な形状の部分が温度制御領域８となる。本実施形態において、本体の断面積に対する温度制御領域の断面積の割合は８０％であり、本体の軸方向長さに対する温度制御領域の軸方向長さの割合は３０％である。
温度制御領域の先端部には、鋳込成形用貫通孔６が設けられており、本体には、左右に貫通する溝７が設けられている。溝７の幅は約２～５ｍｍであってもよく、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍおよび５ｍｍから選択することができるが、これらに限定されない。溝は、長さ方向に沿って導電層部分から温度制御領域まで延設することができる。
各層はいずれもセラミック材料から構成されており、二酸化ケイ素、二ケイ化モリブデン、酸化アルミニウム、酸化イットリウムおよび酸化ランタンの５種のセラミック材料と水から作製される。酸化ケイ素は、網目構造を形成する役割を果たし、酸化アルミニウム、酸化イットリウムおよび酸化ランタンは、この網目構造を調整する役割を果たし、二ケイ化モリブデンは伝導加熱材料を形成する役割を果たす。
内側絶縁層および内側絶縁強化層のセラミック材料は、窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝（２００～８００重量部）：（２０～９０重量部）：（２０～９０重量部）：（１０～８０重量部）：（１０～８００重量部）の比率で作製される。
各セラミック材料を以下の比率で使用することができるが、これらに限定されない。
Ｉ．窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝２００：２０：２０：１０：１０
II．窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝８００：９０：９０：８０：８００
III．窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝４００：５０：４０：４０：４００
Ｉ．窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝２００：２０：２０：１０：１０
II．窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝８００：９０：９０：８０：８００
III．窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝４００：５０：４０：４０：４００
外側導電層のセラミック材料は、窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝（２００～８００重量部）：（２０～９０重量部）：（２０～９０重量部）：（１０～８０重量部）：（７００～３０００重量部）の比率で作製される。
各セラミック材料を以下の比率で使用することができるが、これらに限定されない。
Ｉ．窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：モリブデンジシンナマート＝２００：２０：２０：１０：７００
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Ｉ．窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：モリブデンジシンナマート＝２００：２０：２０：１０：７００
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外側抵抗層のセラミック材料は、窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝（２００～８００重量部）：（２０～９０重量部）：（２０～９０重量部）：（１０～８０重量部）：（６００～９００重量部）の比率で作製される。
各セラミック材料を以下の比率で使用することができるが、これらに限定されない。
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本実施形態の高電圧用セラミック発熱体を使用することによって、点火の信頼性を効果的に確保することができ、１００％の点火成功率を達成することができる。連続通電状態での耐用寿命は３００時間に達してもよく、燃焼室での耐用寿命は３６０００回に達してもよい。本実施形態の高電圧用セラミック発熱体は、表面が平滑で、緻密な構造であり、６０ｋｇの強度を有する。
Claims (10)
- 高電圧用セラミック発熱体であって、後部が開放された中空の本体と、前記本体上に軸方向に沿って設けられ、左右に貫通する溝と、前記本体の外側抵抗層上に設けられた温度制御領域とを含み、前記温度制御領域の断面積が、前記本体の断面積よりも小さい、高電圧用セラミック発熱体。
- 前記温度制御領域が前記本体の頭部に設けられている、請求項１に記載の高電圧用セラミック発熱体。
- 前記温度制御領域の断面積が、前記本体の断面積よりも少なくとも１０％小さい、請求項１または２に記載の高電圧用セラミック発熱体。
- 前記本体が円筒状であり、前記温度制御領域が、前記本体の１つ以上の側面よりも径方向内方に位置する部分を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の高電圧用セラミック発熱体。
- 前記温度制御領域が、扁平な形状であり、互いに対向する２つの側面が径方向内方に位置している、請求項４に記載の高電圧用セラミック発熱体。
- 前記セラミック発熱体が、鋳込成形により成形されたものであり、鋳込成形用貫通孔が、前記本体の頭部の先端に設けられている、請求項１から５のいずれか１項に記載の高電圧用セラミック発熱体。
- 前記セラミック発熱体が、前記本体の内側から外側へ順に、内側絶縁強化層、内側絶縁層、外側抵抗層および導電層の４つの層を有し、前記内側絶縁強化層、前記内側絶縁層および前記外側抵抗層により前記本体の全体が覆われており、前記導電層により前記外側抵抗層の後部が覆われており、前記導電層の後部端に、正電極および負電極が位置している、請求項１から６のいずれか１項に記載の高電圧用セラミック発熱体。
- 前記内側絶縁層および前記内側絶縁強化層のセラミック材料が、窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝（２００～８００重量部）：（２０～９０重量部）：（２０～９０重量部）：（１０～８０重量部）：（１０～８００重量部）の比率で作製される、請求項７に記載の高電圧用セラミック発熱体。
- 前記導電層のセラミック材料が、窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝（２００～８００重量部）：（２０～９０重量部）：（２０～９０重量部）：（１０～８０重量部）：（７００～３０００重量部）の比率で作製される、請求項７または８に記載の高電圧用セラミック発熱体。
- 前記外側抵抗層のセラミック材料が、窒化ケイ素：酸化アルミニウム：酸化イットリウム：酸化ランタン：二ケイ化モリブデン＝（２００～８００重量部）：（２０～９０重量部）：（２０～９０重量部）：（１０～８０重量部）：（６００～９００重量部）の比率で作製される、請求項７、８または９に記載の高電圧用セラミック発熱体。
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